ब्रह्मांड के रहस्यों को सुलझाता 'टाइम मशीन' कैमरा: टाइम प्रोजेक्शन चैंबर की अद्भुत तकनीक और कार्यप्रणाली

जब हम लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (Large Hadron Collider) जैसी विशाल वैज्ञानिक प्रयोगशालाओं के बारे में सोचते हैं, तो हमारी नजरों के सामने बड़ी सुरंगों और चुंबकों के चित्र उभरते हैं। लेकिन इन प्रयोगों का असली हृदय वे डिटेक्टर्स हैं जो परमाणु के भीतर मौजूद कणों की गतिविधियों को पकड़ते हैं। इन डिटेक्टर्स में सबसे महत्वपूर्ण अंग है टाइम प्रोजेक्शन चैंबर (Time Projection Chamber - TPC)। यह एक ऐसा उपकरण है जो विद्युत क्षेत्र (electric field) और चुंबकीय क्षेत्र (magnetic field) के मिश्रण का उपयोग करके कणों के मार्ग का त्रि-आयामी (3D) पुनर्निर्माण करता है। विकिपीडिया की रिपोर्ट के अनुसार, यह तकनीक भौतिकी में कणों की टक्कर के बाद पैदा होने वाले हजारों टुकड़ों की पहचान करने के लिए अनिवार्य है।

टाइम प्रोजेक्शन चैंबर के आविष्कार का इतिहास काफी दिलचस्प है। यह अवधारणा सबसे पहले 1974 में अमेरिकी भौतिक विज्ञानी डेविड आर. नायग्रेन (David R. Nygren) द्वारा प्रस्तुत की गई थी। उन्होंने लॉरेंस बर्कले लैबोरेटरी में 1970 के दशक के अंत में इस तकनीक को विकसित किया था। इसका पहला बड़ा उपयोग PEP-4 डिटेक्टर में हुआ था, जहाँ 29 GeV की ऊर्जा वाली इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन टक्करों का अध्ययन किया गया था। तब से लेकर आज तक, TPC के डिज़ाइन में कई सुधार हुए हैं, लेकिन इसका मूल सिद्धांत आज भी वही है जो नायग्रेन ने दिया था।

मूल संरचना और कार्यप्रणाली

एक विशिष्ट टाइम प्रोजेक्शन चैंबर गैस से भरे बेलन (सिलेंडर) जैसा होता है। इस बेलन के भीतर एक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र स्थापित किया जाता है। बेलन के बिल्कुल मध्य में एक हाई-वोल्टेज इलेक्ट्रोड (electrode) डिस्क होती है, जो केंद्र और अंतिम प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र पैदा करती है। जब कोई आवेशित कण (charged particle) इस गैस से गुजरता है, तो वह गैस के अणुओं के साथ टकराकर उनमें से इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देता है। इस प्रक्रिया को आयनीकरण (ionization) कहा जाता है। ये अलग हुए इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र के कारण बेलन के सिरों की ओर गति करने लगते हैं।

इस प्रक्रिया में चुंबकीय क्षेत्र की भूमिका अत्यंत महत्वपूर्ण है। बेलन की लंबाई की दिशा में ही एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है। यह क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को सीधे मार्ग पर रखने में मदद करता है और उन्हें इधर-उधर फैलने (diffusion) से रोकता है। यदि चुंबकीय क्षेत्र न हो, तो इलेक्ट्रॉन गैस के अन्य अणुओं के साथ टकराकर बिखर जाएंगे, जिससे कण के मार्ग की सटीकता घट जाएगी। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन एक सीधी रेखा में सिरों पर मौजूद सेंसर तक पहुँचते हैं।

समय का दूरी में रूपांतरण: यह कैसे काम करता है?

TPC का नाम 'टाइम प्रोजेक्शन' इसलिए रखा गया है क्योंकि यह समय के माप के द्वारा दूरी की गणना करता है। जब कण गैस से गुजरता है, तो इलेक्ट्रॉन पैदा होते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों को छोर तक पहुँचने में कितना समय लगा, इसके आधार पर यह तय होता है कि कण बेलन में किस गहराई (Z-coordinate) पर था। इसके लिए ड्रिफ्ट टाइम (drift time) तकनीक का उपयोग किया जाता है। बेलन के छोर पर मल्टी-वायर प्रोपोर्शनल चैंबर्स (Multi-wire proportional chambers - MWPC) व्यवस्थित होते हैं, जो इन इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते हैं।

छोर पर मौजूद तारों की व्यवस्था ऐसी होती है कि वह कण के अन्य दो आयामों (X और Y या त्रिज्या और कोण) की जानकारी देती है। एनोड तार (anode wires) वृत्ताकार दिशा में होते हैं जो त्रिज्या की जानकारी देते हैं, जबकि कैथोड प्लेट (cathode plane) की पट्टियाँ कोण की जानकारी देती हैं। इन तीनों जानकारियों - ड्रिफ्ट टाइम, त्रिज्या और कोण - को मिलाकर कंप्यूटर पूरे कण के मार्ग का ३D चित्र तैयार करता है। यह प्रक्रिया इतनी तेज़ होती है कि यह सेकंड के दस-लाखों हिस्से में होने वाली हज़ारों टक्करों के डेटा को प्रोसेस कर सकती है।

लिक्विड आर्गन TPC: घनत्व और सटीकता का संगम

पारंपरिक TPC में गैस का उपयोग होता था, लेकिन आधुनिक प्रयोगों में लिक्विड आर्गन (Liquid Argon - LAr) का उपयोग बढ़ा है। १९७४ में विलियम जे. विलिस और वेल्ज्को राडेका ने साबित किया कि लिक्विड आर्गन में भी कणों की ऊर्जा मापी जा सकती है। लिक्विड आर्गन का सबसे बड़ा फायदा इसका घनत्व है। यह गैस से लगभग १००० गुना अधिक घना होता है। इसका मतलब यह है कि कण इस माध्यम में अधिक टक्करों का अनुभव करेंगे, जो न्यूट्रिनो (neutrino) जैसे पकड़ने में मुश्किल कणों के अध्ययन के लिए वरदान समान है।

लिक्विड आर्गन एक नोबल गैस होने के कारण इलेक्ट्रॉनों को सोखता नहीं है, जिससे इलेक्ट्रॉन लंबी दूरी तक यात्रा कर सकते हैं। इसके अलावा, जब कोई कण लिक्विड आर्गन से गुजरता है, तो वह प्रकाश की चमक (scintillation) भी पैदा करता है। इस प्रकाश को फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब्स (photomultiplier tubes) द्वारा पकड़ा जाता है। यह प्रकाश टक्कर के ठीक समय पर पैदा होने के कारण 'ट्रिगर' (trigger) के रूप में काम करता है, जिससे वैज्ञानिकों को पता चलता है कि ठीक किस समय टक्कर शुरू हुई थी।

सिग्नल रीडआउट और डेटा प्रोसेसिंग

LArTPC की डिज़ाइन में तीन मुख्य भाग होते हैं: हाई-वोल्टेज कैथोड प्लेट, फील्ड केज (field cage) और एनोड वायर प्लेन्स। कैथोड प्लेट सामान्यतः 500 V/cm जितना विद्युत क्षेत्र पैदा करती है। फील्ड केज यह सुनिश्चित करता है कि यह विद्युत क्षेत्र पूरी चैंबर में एकसमान रहे, ताकि इलेक्ट्रॉन विचलित न हों। एनोड की तरफ तारों की कई परतें होती हैं। अंदरूनी परतों को इंडक्शन प्लेन्स (induction planes) कहा जाता है, जिनसे इलेक्ट्रॉन गुजरते समय उनमें करंट पैदा होता है। आखिरी प्लेट को कलेक्शन प्लेट (collection plane) कहा जाता है, जो इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित कर लेती है।

प्रत्येक तार एक जटिल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के साथ जुड़ा होता है। जब इलेक्ट्रॉन तार के करीब आते हैं, तो वे बाइपोलर (bipolar) सिग्नल पैदा करते हैं - यानी करंट पहले बढ़ता है और फिर विपरीत दिशा में जाता है। कलेक्शन प्लेट पर यह सिग्नल यूनिपोलर (unipolar) होता है। इस सिग्नल की तीव्रता से पता चलता है कि वहां कितने इलेक्ट्रॉन आए थे, जो कण की ऊर्जा के बारे में जानकारी देता है। इस डेटा को डिजिटाइज़ करके 2D चित्र बनाए जाते हैं, और फिर अलग-अलग प्लेन्स के 2D चित्रों को जोड़कर 3D पुनर्निर्माण किया जाता है।

विज्ञान के लिए इसका महत्व

TPC तकनीक केवल LHC तक ही सीमित नहीं है। इसका उपयोग डार्क मैटर (Dark Matter) की खोज में भी हो रहा है। 'डार्क मैटर टाइम प्रोजेक्शन चैंबर' (DMTPC) नामक प्रयोग में कम दबाव वाली गैस का उपयोग करके वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स (WIMPs) को खोजने का प्रयास किया जाता है। इन प्रयोगों में MIT और बोस्टन यूनिवर्सिटी जैसे संस्थान जुड़े हुए हैं। 2010 में न्यू मैक्सिको की भूमिगत प्रयोगशाला में इस तकनीक का उपयोग करके डार्क मैटर के अस्तित्व के बारे में महत्वपूर्ण डेटा एकत्र किए गए थे।

भारत के लिए भी यह तकनीक महत्वपूर्ण है क्योंकि भारतीय वैज्ञानिक CERN के ALICE प्रयोग में सक्रिय रूप से जुड़े हुए हैं, जिसमें दुनिया की सबसे बड़ी TPC कार्यरत है। यह उपकरण हमें यह समझने में मदद करता है कि बिग बैंग (Big Bang) के बाद के शुरुआती समय में ब्रह्मांड कैसा दिखता होगा। चाहे वह गैस आधारित हो या लिक्विड आर्गन आधारित, टाइम प्रोजेक्शन चैंबर आधुनिक भौतिकी की एक ऐसी आंख है जो हमें अदृश्य परमाणु विश्व को देखने की क्षमता देती है।